Puun kaasuttaminen käytännössä

Transkriptio

1 Puun kaasuttaminen käytännössä - Liikennekäyttö - Kaasutustekniikat - Pien CHP - Viljan kuivaus ja muu käyttö - Fiskarsin voiman rakenteilla olevat laitokset Puusta sähköä -seminaari Tampere Fredrik Ek

2 Puukaasu ja biokaasu -kaasuseoksia joiden tuotantotekniikka ja koostumus on erilainen Puukaasu, häkäkaasu N 2 ~ 50 % CO ~ 20 % H 2 ~ 20 % CO 2 ~ 7 % CH 4 ~ 3 % Lämpöarvo ~5 MJ/m 3 Biokaasu, mädätyskaasu CH 4 ~ 65 % CO 2 ~ 33 % N 2,O 2,H 2 S, H 2 ~ 2 % o Lämpöarvo ~ 20 MJ/m 3

3 Pentti Laiho ja Juha Kaarela tekivät tällä volvolla Pentin 70 vuotissyntymäpäivän kunniaksi Suomen virallisen puukaasuennätyksen: Ajoivat Hangosta Nuorgamiin 22 tunnissa.

4

5

6

7 Käytännössä puukaasuautoilu on paljon muutakin kuin ajamista. Vaikka korjauksia joutuu tekemään, eniten aikaa yleensä kuluu polttoaineen käsittelyssä. Käytössä olevat tekniset ratkaisut suurelti vaikuttavat huoltotöiden vaatimaan aikaan.

8 Puukaasutekniikalla auto saadaan toimimaan niin hyvin että autoa voi käyttää siinä missä bensa-autoakin, siis arkisessa elämässä

9 Puukaasuautolla on suuri toimintasäde, jeepillä saa kerralla mukaan 1000 km hakkeet Koko polttoaineketjun pystyy itse hallitsemaan Suurin haittapuoli on myös juuri tässä, polttoaineen hankkiminen ja käsitteleminen on työlästä ja polttoaine vie autossa tilaa Iso etu pystyä käyttämään normaalia lämmityshaketta

10 Pienimuotoinen CHP tuotanto - Terminen kaasutus - Sterling - ORC - Mikroturbiini

11 Termisessä kiinteäpetikaasutuksessa; kaksi pääperiaatetta: Vastavirta - Myötävirta

12 System Imbert

13 Padasjoen Arrakosken sahalaitos kävi yli 40 vuotta sahaustoiminnan sivutuotteilla kaasutustekniikan ja polttomoottorin avulla

14 Kaasutuksen toimintaperiaate Puupolttoaine poltetaan ensin hiilidioksidiksi ja vedeksi. Tämän jälkeen poltossa muodostuneet kaasut pelkistetään hehkuvassa hiilipatjassa hiilimonoksidiksi ja vedyksi. Pelkistysenergia saadaan poltossa vapautuneesta lämmöstä. Kaasuttimen rakenteesta riippuen puun sisältämästä energiasta saadaan % siirrettyä kaasumaiseen muotoon Loppuosa on lämpöä ja hiilijäännöstä mitä suurelta osin myös voi hyödyntää Myötävirtakaasuttimen toimivuuden kannalta tärkeintä on että terva saadaan hajotettua kaasuttimessa Ainut konsti hajottaa terva on krakkaamalla se riittävässä kuumuudessa Kolme tärkeintä asiaa myötävirtakaasutuksessa: Kaasuttimen tulipesän riittävän korkea lämpötila tervojen tuhoamiseksi Hiilipatjan pitäminen kuohkeana ja reaktiivisena Holvaantumisen sekä kanavoitumisen välttäminen

15 Kaasun epäpuhtaudet Kaasussa ei saa olla tervaa Terva pilaa moottorin, jumittaa venttiilit ja syövyttää laakerit rikki Terva tukkii kaasun suodatussysteemin Terva ei ole ongelma jos tietää mitä tekee, tervaa ei ole pakko tuottaa Kaasussa on nokea ja tuhkaa Noki likaa moottorin ja tuhka myös kuluttaa sitä Noen ja tuhkan pitää poistaa kaasusta ennen moottoria Poistossa voidaan käyttää useita eri menetelmiä, sekä kuivia että märkiä suodatusjärjestelmiä

16 Myötävirtakaasuttimen polttoaineeksi käy puuta tai turvetta eri muodoissa, mutta kaasuttimen pitää olla oikein säädetty käytettävälle polttoaineelle

17 Kartioruuvihakkurilla syntyy mainiota kaasutuspolttoainetta mitä sopii suuremmillekin kaasuttimille

18 Puukaasutekniikan käyttö maailmalla Maailmalla käytetään yksinkertaisia puukaasu- CHP laitoksia pääsääntöisesti kehitysmaissa missä ne korvaavat dieselaggregaatteja Jos valinta on siinä että onko sähköä tai ei, ollaan yleensä valmiita hyväksymään työläs polttoaineen valmistus, valmistus on kehitysmaissa pitkälti käsityötä Spannerin (saksalainen valmistaja) esimerkin innoittamana on ilmestynyt lukuisia länsimaisia laitevalmistajia Viimeisen parin vuoden aikana moni suuri puu- ja hakekattilavalmistaja on tuonut markkinoille omat puukaasulaitteensa, esim. Fröling, Hargassner, KWB Moni laitteista toimii kohtalaisesti kunhan polttoaine on sopivaa Edelleen ollaan kuitenkin tilanteessa missä on etu että käyttäjä on valmis huoltamaan laitteet, ostajalla likaiset kädet = hyvä juttu

19 Kotimaisia laitoksia Volter Gasek Turosteam

20 Volter Oy Noin 70 laitosta rakennettu 30 kwe ja 45 kwe, melko hyvin toimivat. Eniten käyttötunteja Kempeleen ekokylän laitoksella Säätyvä myötävirtakaasutin kuivasuodatuksella

21 Volterin rakentama 30 kwe:n tehoinen puukaasu CHP laitos Alpuan koululla Oulussa

22 Suomessa pienten CHP laitosten kysyntä on kannattavuushaasteista johtuen hyvin vähäistä Suurin osa Volterin rakentamista puukaasulaitteistoista on myyty Suurbritanniaan. Suomessa toimii kuusi laitosta. Volterin 70 laitoksesta noin 50 on rakennettu vuoden 2016 aikana.

23 Gasek Oy Kolme CHP -laitosta rakennettu, vähän käyttötunteja. Pien- CHP tuotannon kannattavuus on Suomessa heikko Kaasutin joka tuottaa kaasua reilun megawatin teholla kehitteillä/kehitetty. Kaasu voidaan polttaa kattilassa lämmöksi Torniossa yksi laitos käytössä, toinen tulossa Turkuun ja kolmas Athos säätiölle Lammille. Uuden tekniikan kanssa on yleensä ongelmia, niitä on näissäkin ollut. Mitä kuivempi polttoaine, sen paremmin prosessi toimii, aikaisemmin esitetty 35 % optimikosteus ei päde Toivottavasti laitokset saadaan pelaamaan!

24 Inkoossa kokeiltiin syksyllä 2013 tuotekaasun polttoa kaukolämmön tuotannossa kaasuttimen mitoituksessa oli sattunut kertaluokkavirhe joka aiheutti pahoja tervaongelmia

25 Timo Heimosen Turos team on rakentanut muutamia kaasutuslaitoksia. Lestijärven laitoksella on kaasuturbiini jonka avulla voidaan tuottaa lämpöä sähköä puukaasusta. Lämpökuorman pienuuden takia kaasuturbiinia ei ole ollut kannattava pyörittää. Laitoksen tekniikasta on vaikea sanoa mitään. Osa väittämistä ovat liian hyviä ollakseen totta.

26 Puhdas Energian palveluksessa olin vuonna 2006 mukana toimittamassa Japaniin pellettikaasutin. Tämän teho demonstroitiin sulattamalla asiakkaan koekattila Laite oli tarkoitettu korvaamaan öljyä öljykattilassa, ei kaasumoottorin pyörittämiseen Syksyllä 2006 perustettiin Xylogas oy

27 Jalasjärven kaukolämpölaitos, Bioneer vastavirtakaasutin Vastavirtaperiaatteen mukaan toimivia kaasuttimia pystytään skaalaamaan myötävirtakaasuttimia suuremmiksi Vastavirtakaasuttimille kelpaa myötävirtakaasuttimia kosteampi polttoaine Haittapuolena kaasun suurempi tervapitoisuus joka käytännössä estää kaasun siirron putkia pitkin muualle kuin kaasuttimen vieressä seisovaan kattilaan Kuva lainattu Ilkka Hiltusen esityksestä Kaasutustekniikat

28 Kaasutusta isossa mittakaavassa: Lahti energia, Kymijärvi II Kierrätyspolttoainetta kaasutetaan kiertopetikaasuttimessa. Laitoksen teho: 160 MW josta 50 MW sähköä. Kaasutus, kaasun jäähdytys, kuumasuodatus ja kaasun poltto höyrykattilassa. Sähkö tuotetaan höyryturbiinin avulla Laitostoimittaja: Metso

29 Pienten puukaasulaitteiden valmistajia maailmalla All Power labs, USA Ankur, Intia Burkhardt, Saksa Community Power Coorporation,USA Fluidyne, Uusi Seelanti Fröling, Saksa Hargassner, Itävalta Pyrogas, Saksa Spanner, Saksa System Johansson, Etelä Afrikka Urbas, Itävalta Volter, Suomi ProAgria/ SLF, Fredrik Ek

30 Spanner re2

31 Spanner GmbH Saksa kwel

32 Spanner re 2 Marraskuussa 2016, 700 laitosta rakennettu Kaksi kokoa mutta yksi moottori 5,7 l GM V8 30 kwe (~ ilman hakelaitteita) 50 kwe (~ ilman hakelaitteita) Valmistajan antamien tietojen mukaan käyttötuntia vuodessa per laitos Perinteinen myötävirtakaasutin kuivalla suodatusjärjestelmällä Laitos käyttää hyvänlaatuista haketta (<15 % kosteus) Hakkeenkulutus (30 kwe) : ~4 im 3 /vrk Hakkeesta sähköä hs. ~0,23

33 Georg Hofer Velden Saksa: Spannerin rakentaman puukaasulaitoksen avulla tuotetaan 30 kw sähköä valtakunnan verkkoon ja noin 100 kw lämpöä sahan ja parkettitehtaan puutavaran kuivatustarpeisiin. Hake kuivataan laitteiston hukkalämmöllä kuivaksi ennen käyttöä Alles was naβ ist, heiβt Teer

34 Laitos on ollut käytössä vuodesta 2009 lähtien. Ei tervaongelmia ensimmäisten kahden kuukauden jälkeen. Laitos käy vuorokauden ympäri. Moottoriöljy vaihdetaan 600 tunnin välein, vaikka valmistajan suositusvaihtoväli on 300 tuntia Moottorina amerikkalainen 5,7 litran V8, 1500 rpm. Korotetut puristuspaineet. Laitoksen omistaja on hyvin tyytyväinen laitokseensa.

35 Sterlingtekniikka kaasutukseen yhdistettynä

36 Sterlingtekniikka Saksalainen Sunmaschine Itävaltalainen KWB Tanskalainen Stirling dk

37 Langballig, Saksa. Lähilämpölaitos jossa CHP tuotanto kahdella Stirling-moottorilla Hakekattila 0,5 MW Öljykattila 0,6 MW Puuhakkeen vastavirtakaasutin noin 0,5 MW Stirlingyksiköt: 2 * (35 kwe kwth) Kokonaishyötysuhde noin 85 %, hake sähköksi noin 16 % Vieralupäivänä laitos oli seisonnassa Ongelmia kaasuttimen tuhkanpoistossa Ongelmia Stirling moottorin kampikammion mekaniikassa

38 Stirlingmoottorin kuuman puolen lämmönvaihdin on suunniteltu kiinteitä polttoaineita varten, lämmönvaihdin on väljä ja voidaan tarvittaessa melko helposti puhdistaa

39 Italialaisen Turbodenin ORC laitoksia: 1-10 MWe hakkeesta

40 Yksi ongelma Toholammin ORC laitoksella on että lämpökuorma kovia pakkasia lukuun ottamatta ei ole ollut riittävä jotta sähköntuotantoa voisi järkevästi pyörittää Suurin osa ajasta laitos on tuottanut pelkkää lämpöä Laitos ei ole syöttötariffijärjestelmän piirissä. Edullisen sähkön aikaan ei kannata tuottaa sähköä.

41 Pienten puu-chp laitosten kannattavuus Polttoaineen primäärienergiasta saadaan sähkönä % Osa lämmöstä hankalasti hyödynnettävissä, tuotekaasun jäähdytystarve vs. paluuveden lämpötila, hyvät paikat jossa lämmitetään kasteluvettä tms. kylmää Pientä puu CHP:tä pitää katsoa lämmityslaitteena joka tuottaa lämmön lisäksi myös sähköä Syöttötariffin tai ostosähkön hinnoilla: Sähkön arvolla kattaa suunnilleen polttoaineen kustannukset, muut kulut katettava lämmön arvolla

42 Tuotantovertailu: Lämpö hakelämpökontilla tai lämpö ja sähkö CHP yksiköllä Hakkeen energiasisältö sekä hinta Hakkeen energiasisältö 0,80 MWh/ irto-m 3 Hakkeen veroton hinta 17,0 /irto-m 3 Energiahinta 21,25 /MWh Hyötysuhteet Pelkkä lämmöntuotanto: kattilan hyötysuhde (hake lämpö) 0,80 Kaasuttimen hyötysuhde (hake kaasu) 0,78 Sähköntuotannon hyötysuhde (kaasu sähkö) 0,27 Moottorin lämmöntalteenotto: hyötysuhde (lämpö lämpö) 0,80 Lämmön talteenotto kaasusta: hyötysuhde (lämpö lämpö) 0,50 Kokonaishyötysuhde hake sähkö 0,21 Kokonaishyötysuhde hake lämpö 0,57 Kokonaishyötysuhde hake sähkö ja lämpö 0,77 Energian arvo ja tuotantokustannus Arvo Teho Arvo /MWh MW /h Sähkö 90,00 0,050 4,50 Lämpö* 26,56 0,135 3,59 Sähkö&lämpö - 0,185 8,09 Polttoaine 21,25 0,239 5,08 Netto (sähkö&lämpö miinus hakkeen kustannus) 3,01 *Lämmön arvo on laskettu hakekattilan polttoainekustannuksen mukaan jonka hyötysuhde on med 80 %.

43 Ostosähkö ja hakelämpö vai oma CHP? CHP -laitos ajetaan mallissa lämmöntarpeen mukaan Sähkötehon tarve oletettu vakioksi Lämmöntarve Sähköntarve 1500 MWh/vuosi 400 MWh/vuosi CHP:n lämmöntuotto kapasiteetti Hyödynnettävissä oleva CHP lämpö Käyttöaste Sähköä voidaan tuottaa Lämmöntarpeen vuosijakauma % MWh lämpö kw lämpö kw sähkö MWh MWh % MWh irto-m 3 Tammikuu 12, % Helmikuu 12, % Maaliskuu 12, % Huhtikuu 8, % Toukokuu 6, % Kesäkuu 4, % Heinäkuu 3, % Elokuu 4, % Syyskuu 5, % Lokakuu 8, % Marraskuu 10, % Joulukuu 12, % Summa Haketta kuluu

44 Energiankustannussäästö-Annuiteetti ja huoltokustannukset 2125 /vuosi Ostosähkö ja hakelämpö vai oma CHP? Energiakustannusvertailu Nettoenergiaa Hakkeenkulutus Energiakustannus MWh/vuosi im 3 /vuosi /vuosi Energiakustannukset CHP.llä Ostosähkö CHP, lämmöntuotto, polttoaineenkulutus ja polttoainekustannus Hakekattila, lämmöntuotanto, polttoaineenkulutus ja polttoainekulutus Sähkö ja lämpö yhteensä: Energiakustannus ostosähköllä ja hakekattilalla Ostosähkö Hakekattila, lämmöntuotanto, polttoaineenkulutus ja polttoainekulutus Sähkö ja lämpö yhteensä: Vuotuinen enegiankustannussäästö CHP:llä Kannattaako hankkia CHP -laitos hakelämpölaitoksen rinnalle? CHP laitoksen hankintakustannus Korko 4 % Hankinnan pitoaika 10 vuotta Annuiteetti Laitteiston huoltokustannus 5000 /vuosi Annuiteetti ja huolto yhteensä /vuosi

45 Omia kaasutusviritelmiä

46 XyloGas 50 kw powerplant for dry corase wood chips Wood chips feed: 55 kg /hour Wood chips heating value: 4,5 kwh /kg Energy content of fuel feed: 250 kwh /h Fuel humidity: < 22% Gasifier efficiency: 80% Automatic fuel feed system Gasifier + heat exhangers Cyclone and startup flare Hot filter unit Solid gasification residues ~2 kg /h Gas condenser and drier unit XyloGas tar free woodgas flame at night 50 kw power output, engine mechanical efficiency 25% 120 kw easily recoverable thermal output. Standard CHP unit for natural gas compression ratio ~13:1 Woodgas power output: ~ 0,6 x natural gas power output

47 Rakensin Eerin Rosenströmin kanssa puukaasukäyttöisen pienvoimalan syksyllä 2006

48

49 Hakkeen siirrossa on käytetty varsin monenlaisia ratkaisuja, normaalit hakesyöttövehkeet toimivat hyvin Perushakekattilaan verrattuna syöttökorkeus tuo lisähaasteita, kaasuttimia syötetään ylhäältä ja hakekattiloita alhaalta Toinen ero on tiiviysvaatimus, kaasuttimissa tarvitaan tiiviitä syöttölaitteita

50

51

52 Sähkön tuotannosta retrofit-laitteeseen Suomessa sähkön tuottaminen pienessä mittakaavassa on vaikea saada kannattavaksi. Suomessa ei ole toimiva pientuotannon tukijärjestelmä ja sähkö on vielä halpaa. Puukaasuttimen avulla saadaan hakkeesta pienellä ja edullisella laitteella paljon tehoa irti. Polttamalla puukaasua puun sijaan, päästään lisäksi todella puhtaaseen palotapahtumaan joka voi mahdollistaa myös hiilidioksidin tuotantoa hiilidioksidilannoitukseen kasvihuoneissa. Viljankuivureissa tarvitaan lyhyttä aikaa suurta tehoa. Koska käyttöaika on lyhyt, kuivurilaite ei saa maksaa kovinkaan paljon ollakseen kannattava. Viljatilalla käytetään tyypillisesti enemmän öljyä sadon kuivaamiseen kuin sen viljelyyn.

53

54 Kaasutustekniikalla on mahdollista: Kaasutustekniikka tarjoaa mahdollisuutta käyttää olemassa olevaa öljykattilaa, polttoaine vaihdetaan öljystä puukaasulle Muutos hakkeelle ilman rakentamista paikan päällä

55 Visio retrofitlaitoksesta vuodelta 2012 Helposti liikuteltava kaasutusyksikkö, rakennetaan pyörien päälle tai siirtolavalle Nopea ottaa käyttöön, soveltuu myös lyhytaikaiselle käytölle Minimaalisesti rakentamista paikan päällä, urakoitsija voi huolehtia laitoksen pyörittämisestä Automaattinen ilmatiivis hakesyöttö Kaasuttimessa liikkuva arina ja holvinpurkain. Lämmön palautus. Sykloni kuivan pölyn poistoon, vaativissa paikoissa kuivasuodatin. Lauhdutin erillisenä yksikkönä, tarvitaan mikäli kaasua pitää siirtää pidempiä matkoja. Kaasu johdetaan kattilaan joustavaa letkua/putkea pitkin. Uunissa oleva öljynpoltin korvataan tuotekaasupolttimella Laitos mahdollistaa viljan kuvaamisen hakkeella ilman lämpökeskuksen rakentamista Samalla säilyy varmuutena myös öljynkäyttömahdollisuus Laite ei ole sidottu ainoastaan viljankuivureihin, sitä voidaan käyttää minkä tahansa isomman öljykattilan yhteydessä! Viljankuivurista on helppo aloittaa.

56 Säädettävän kaasuttimen prototyypin runko valmistui keväällä 2014

57 Protolaitekokonaisuuden hahmotelmaa Toisesta päästä haketta syötetään sisään ja toisesta päästä suodatettua kaasua tulee ulos poltettavaksi tuotekaasupolttimessa

58 Laitetta alettiin kokoamaan toden teolla juhannuksen 2014 jälkeen. Silloin oli selvinnyt että MTT:n tutkimusprojekti oli toteutumassa. Laite piti saada testattavaan kuntoon mennessä

59 Laitteisto rakennetaan Fiskarsissa elokuussa 2014

60 Protoanläggninge n flyttas ut för testning i halvfärdigt skick Protolaitteisto siirretään vielä keskeneräisenä ulos ensimmäistä testiajoa varten

61 Ensimmäinen koeajo ilman suodatinta ja poltinta Laite teki todella hyvänlaatuista kaasua Första testkörningen utan filter och brännare Anläggningen producerade gas av prima kvalitet

62 Tässä poltin saa liian vähän ilmaa Här får brännaren alltför litet luft Ensimmäinen testiajo polttimen kanssa Första testkörningen med brännare

63 Laitteisto testattavana Vakolan kuivurilla Vihdissä

64 Kaasupoltin jouduttiin rakentamaan itse. Polttimessa hyödynnettiin Oilonin liekinvalvontajärjestelmä sekä sytytysjärjestelmä. Yksinkertaisesta rakenteesta huolimatta, polttimella saatiin tuotekaasu poltettua varsin puhtaasti (kuva oikealla). Suotimen kanssa tehdyt ajot johtivat niin alhaisiin savukaasujen hiukkaspitoisuuksiin että mittaustuloksia ei saatu (alle 5 mg/nm 3 ).

65 Laitteistolla saatiin öljyä korvattua ja viljaa kuivattua noin 150 kw:n teholla. Parannuksia on vielä tehtävä ja laitetta testattava lisää ennen kuin se soveltuu varsinaiseen käyttöön, homma ei vielä ole valmis. Tehoa saa lisää suurentamalla puhallinten kapasiteettia. Protolaitteisto rakennettiin heinä- ja elokuun aikana 2014 varsin pienillä resursseilla mutta suurella halulla saada laitteisto aikaan.

66 Protolaitteisto herätti paljon mielenkiintoa Västankvarnin peltopäivällä Protoanläggningen väckte mycket intresse under fältdagen på Västankvarn

67 Fiskarsin voiman Qvidja kraftille rakentamat ja rakenteilla olevat laitokset

68 Fiskarsin voima toimitti kesällä 2016 kolme metanointireaktoria Qvidja Kraftille. Reaktoreissa tuotetaan puukaasusta, vedystä ja hiilidioksidista metaania

69

70 Toinen konttikaasutuslaitteisto

71

72 Ensimmäiset neljä kuukautta meni laitteistokokonaisuuden malliintamisessa

73 Laserleikattuja osia menossa mankelointiin ja särmäykseen syyskuussa 2016

74 Kontti valmistuu

75 Kaasuttimen hitsaamista lokakuussa 2016

76 Marraskuussa 2016 on toisen laitoksen rakennustyöt menossa

77 Säätyvä kaasupoltin hakee muotoaan

78 Muutto Fiskarsista Tuusulaan vuodenvaihteessa

79

80 Yhdistelmäkaasuttimen runko menossa konttiin

81 Laitteisto valmistuu pikku hiljaa, sitä mukaa kuin komponentteja saadaan asennettua

82 Tutkimuskaasutinlaitteisto

83 Fredrik Ek

84 Tutkimuskaasutinlaitteiston noin 150 laserleikattua osaa on saapunut seitsemällä kuormalavalla, osat lajiteltiin läpi jonka jälkeen niitä alettiin heppaamaan yhteen.